Erzeugung von Al/hochfester Stahl-Verbunden durch ultraschallunterstütztes Rührreibschweißen – Prozess und ..., Mikrostruktur, Korrosion und fügezonenintegrierter Korrosionsschutz

DFG-SPP1640 A2

Bild Forschungsprojekt
Laufzeit:  01.01.2013 - 30.04.2019
Partner: Prof. Dr.-Ing. G. Wagner, M. Thomä; TU Chemnitz, Lehrstuhl Verbundwerkstoffe

Dr.-Ing. B. Wolter, Dr.-Ing. B. Straß; Fh IZFP, Saarbrücken

Geldgeber:  DFG
Bearbeiter:  Dr. Sigrid Benfer
Arbeitsgruppe:  Korrosion

Problemstellung und Ziele des Projektes

Hybridbauweisen ermöglichen es, die Vorteile unterschiedlichster Werkstoffe in einer Komponente zu vereinen. Kraft- und formschlüssige Verbindungen sind zwar auf einfache Weise realisierbar, die Beanspruchbarkeit einer Schweißverbindung wird aber nur selten erreicht. Dem Schmelzschweißen verschiedener Werkstoffe stehen aber insbesondere die damit verbundenen unterschiedlichen Schmelzbereiche entgegen. Zudem kommt es in der Fügezone häufig zu unerwünschten Mischphasenbildungen, die die Verbindungsfestigkeiten erheblich reduzieren.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, das innovative Rührreibschweißverfahren (FSW) zum Fügen von Werkstoffgruppen einzusetzen, die jeweils breite Anwendungsfelder aufweisen, jedoch nicht miteinander schmelzschweißbar sind. Dies sind insbesondere die Leichtbauwerkstoffe Aluminium und Magnesium, aber auch Aluminium und Stahl. FSW ermöglicht ein Fügen durch plastische Deformation. Um festigkeitsmindernde Effekte durch eventuell auftretende Sprödphasen auszuschließen und die Durchmischung des Fügebereichs zu intensivieren, wird zusätzlich Leistungsultraschall in die Schweißzone eingebracht. Um die entstandenen Rührreibschweißungen hinsichtlich der Qualität zu beurteilen, werden quasistatische und zyklische (Projektpartner IWW) sowie zerstörungsfreie Untersuchungen (Projektpartner IZFP) vorgenommen. Um die besondere Problematik der Korrosion bei Mischverbunden beherrschen zu können, werden am DFI detaillierte Untersuchungen des Korrosionsverhaltens des Schweißbereichs durchgeführt.

Ergebnisse

Nachdem das ultraschallunterstütze Rührreibschweißen (USE-FSW) erfolgreich zur Erzeugung von Al/Mg-Hybridverbunden eingesetzt wurde (s. Veröffentlichungen), standen in der zweiten Projektphase die Untersuchungen an ersten Al/Stahl-Verbunden aus einer Al-Knetlegierung (EN AW-6061) und DC04 Stahl im kaltgewalzten Zustand im Vordergrund.

In Analogie zu den Al/Mg-Hybriden wurden zunächst mit Hilfe der Rasterkelvinsonde (SKP) die Voltapotentialdifferenzen der Schweißnähte untersucht. Die Messung erfolgte in feuchter Luft (ca. 90 % RH). Hier ergab sich eine Voltapotentialdifferenz von etwa 1 V, wobei die Al-Legierung die negativeren Werte aufweist. Der Al-Nugget-Bereich weist ein 0,1 bis 0,4 V positiveres Voltapotential auf, als die Al-Legierung selbst. Der Unterschied zwischen einer Schweißverbindung mit und ohne Ultraschalleinfluss ist nur sehr gering, was an den Prozessbedingungen (Pin rotiert nur im Aluminium) liegen kann.

Die Messergebnisse an Luft lassen sich nicht direkt auf die Messungen in einem wässrigen Elektrolyten übertragen, wie die Ruhepotentialmessungen in 0,5 molarer NaCl-Lösung zeigen. Nach 60 min Elektrolytkontakt ist das Ruhepotential des Stahls leicht negativer als das der Aluminium-Legierung, während an Luft noch ein um ca. 1 V positiveres Voltapotential gemessen wurde. Die Nugget-Phase und der Al/Stahl-Übergang zeigen nach wenigen Minuten ein konstantes Ruhepotential, das im Bereich der Al-Ausgangslegierung liegt. Die Werte sind unabhängig von den Schweißbedingungen. Aufgrund des geringen Potentialunterschiedes zwischen dem Stahl und der Aluminium-Legierung ist die Gefahr der beschleunigten Korrosion durch die Bildung eines galvanischen Elementes sehr gering im Vergleich zu den Al/Mg-Hybridverbunden.

Die Stromdichte-Potentialkurve der Aluminiumlegierung EN AW-6061 weist ein freies Korrosionspotential (Eoc) von -0,46 V und ein Lochkorrosionspotential bei etwa -0,42 V auf und liegt damit nur wenig über dem freien Korrosionspotential. Die Korrosionsstromdichte am Eoc liegt bei etwa 1-2 μA/cm2, was auf eine geringe Korrosionsrate hindeutet. Am Lochkorrosionspotential steigt die Korrosionsstromdichte sofort auf Werte von einigen hundert μA/cm2 an. Das freie Korrosionspotential des Stahls DC04 liegt bei etwa -0,54 bis -0,53 V. Die Polarisationskurve des Stahls weist im anodischen Bereich einen kontinuierlichen Anstieg auf. Die Korrosionsstromdichte am Eoc ist mit 2-3 μA/cm2 nur wenig höher als die der Aluminiumlegierung. Das freie Korrosionspotential der Nugget-Zone zeigt in den Polarisationskurven eine leichte Verschiebung in anodische Richtung verglichen mit den Werten der Ruhepotentialmessungen. Das Lochkorrosionspotential ist identisch mit dem der Aluminium-Ausgangslegierung. Die Korrosionsstromdichte des Nugget-Bereichs der FSW-Verbindung ist etwas höher als die der USE-FSW-Verbindung und der Aluminium-Ausgangslegierung, was auf einen höheren Anteil intermetallischer Phase in der Messfläche zurückgeführt werden kann. Das freie Korrosionspotential des Al/Stahl-Übergangs der FSW-Verbindung liegt etwa 50 mV negativer als das der USE-FSW-Verbindung. Dies kann an einem unterschiedlichen Al/Stahl-Verhältnis oder unterschiedlichen Phasen in der Messfläche begründet sein. Beide Polarisationskurven weisen im anodischen Ast zunächst einen kontinuierlichen Anstieg der Stromdichte - ähnlich dem des Stahls - und dann ein Lochkorrosionspotential und weiteren Anstieg der Stromdichte vergleichbar dem der Aluminiumlegierung auf. Die Korrosionsstromdichte bei Eoc ist etwas geringer als die des Stahls. Dies ist ein deutlicher Unterschied zu den Al/Mg-Verbindungen, bei denen für den Übergangsbereich ein Anstieg der Korrosionsstromdichte um mehrere Größenordnungen beobachtet wurde.

 

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